机械结构设计中抗磨损的改造方法

周云其

(宁波永望电子科技有限公司，浙江 宁波 315175)

伴随着机械自动化生产方式的广泛应用，生产型企业更加依赖于机械设备的加工制造。鉴于机械结构磨损，对成套设备造成的不利影响，需及时设计有效的抗磨损方法，优化改造机械设备的应用性能，降低实际生产故障的发生率。

保护好机械设备结构性能，关系着生产效率、产品品质、加工成本等多项指标的控制。机械结构决定了成套设备的运转性能，也是设计环节中需要严格控制的构造内容。传动结构，是设备的核心组成部分，负责传输各类动能以提供机构运转，从局部上协调了机器的操控性能。磨损过度，是机械设备应用期间常见的问题，传动机构设计需注重抗磨损改造方案的优化设计。本文根据传动机构不同的结构，提出了有效的抗磨损设计方法。

1 传动机构磨损造成的危害

我国市场经济正面临着经济全球化、经济区域化两种发展局势，新时期的市场环境，刺激了生产型企业加工制造模式的改进，引入大量机器设备辅助产品加工，是必不可少的。自动化生产，带动了经营效益的增收，提高了先进设备及其科学技术的应用效率。

另一方面，过度依赖于机械设备加工生产，也导致机器结构出现不同程度的磨损问题。传动机构磨损，具有多方面的潜在危害。

（1）性能危害。传动机构在机械设备中，是极为重要的构造部分，由多个传动配件组装而成，承担着传输、改变、调节动力的作用。传动机构磨损量偏大，直接降低了动力机器的运转性能，无法正常调控动力大小，设备无法按照正常的指令完成作业。如：在齿轮传动结构中，大小尺寸磨损过多，齿距误差偏大，由于齿轮配合不紧密，而降低了设备的运行效率。

（2）安全危害。零配件磨损，容易引起瞬间性的脆裂，使正常运行的机器设备出现突发性故障，扰乱了内部机构的动力传输秩序[1]。以链传动为例，由金属链条带动齿轮运转，齿轮或金属链条磨损过度，两者之间配合的紧密性减弱，金属链条断裂，引起了机器故障。若链传动处于高转速运行，金属链条飞出，易击伤操作人员，对机械设备、操作人员均是很大的危害。

（3）生产危害。各种机械设备，是生产型企业加工制造的主要工具，如果传动结构发生磨损事故，就会影响零配件加工制造流程的顺利进行。

机械磨损引起生产危害的表现：一是故障，传动结构磨损量超出标准范围，生产设备的故障发生率提高，阻碍了企业生产活动的持续性；二是效率，产品加工效率与预期的产量指标不一致，返工处理次数增多，而影响了生产效率。

2 齿轮传动的抗磨损设计

齿轮传动是机械设备典型的传动机构，属于两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。齿轮传动由两个大小不一的齿轮配件组成（如图1），并且按照适当比例，设计出轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆等重要参数。

图1 齿轮传动图示

齿轮作为传动机构，是提供动力的主要部分，其磨损量偏差，容易损坏机械设备的操控性能，以及运行期间故障发生率提高等问题。目前，齿轮传统分为闭式、开式两种，抗磨损设计方案，需根据不同的情况而定。

（1）闭式齿轮传动。造成齿轮传动磨损的主要机理，是由于两齿轮表面接触产生摩擦力，持续运行后，机械能转换为热能，金属配件放热过程引起高温，而磨损了齿轮。闭式齿轮传动的抗磨损设计，应重点加强齿轮结构的抗疲劳强度，使齿轮在动力运行中发挥出较好的强度性能[2]。如：选材设计应用高强度的金属材质，维持齿根弯曲疲劳强度的正常状态；两齿轮均为硬齿面，且齿面硬度相同时，抗磨损设计要结合具体的设备情况而定。

（2）开式齿轮传动。与闭式齿轮传动相对应的是开式齿轮传动，这种传动结构抗磨损设计的关键在于维持齿根弯曲疲劳强度，以达到抵抗磨损危害的作用。如：设计人员按照企业机械生产的作业荷载，以及设备运行规模的大小，为了延长开式齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。可针对开式齿轮传动结构设计润滑结构，选择合适的润滑油进行润滑处理，降低齿轮运行时产生的磨损，或事先对材料热化处理，以减小其粗糙度。

3 链传动的抗磨损设计

链传动的核心构件，是链条、链轮，利用链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力，传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式（如图2）。

图2 链传动结构

从传动效率判断，链传动在组合结构方面进行了优化改进，选择了两个链轮作为受力的载体，由于链轮处于固定状态，传动时很少出现松动、位移等问题。但链传动的磨损率较高，易产生噪声、振动等，且链条在高速传动状态下易断裂。其抗磨损设计如下：

（1）链轮齿数。设计齿数需参照链传动的荷载大小，也可根据链轮型号规定齿数。大链轮，齿数量较少，方便了链条与齿轮之间的配合；而小链轮，齿数多一些为好，有助于提高链传动的运动平稳性及减小动载荷。从原则上来说，抗磨损设计中一般链条节数为偶数，链传动组装则无需使用过渡接头。为使磨损均匀，提高寿命，链轮齿数最好与链节数互质。

（2）链条节距。理论研究显示，链传动中的节距越大，整个传动部分承担荷载的性能越好。实际应用情况却是相反的，链条节距变大，链轮在高速转动下的冲击力也随之增大，对链传动构件的耗损越严重。这一特点，为抗磨损改造设计提供了指导。设计时应尽可能选用小节距的链，重载时选取小节距多排链的实际效果，往往比选取大节距单排链的效果更好。

（3）中心距和链长。链传动机构的中心距大小与链条长度，决定了机械传动的运行效率，以及链条与链轮之间所形成摩擦力的大小。考虑到链轮受磨损程度的控制，设计中需严格控制中心距与链条的长度。一般可取中心距

最大中心距≤80 p。

链条长度用链的节数表示[3]。按带传动求带长的公式，可导出由此算出的链节数，须圆整为整数，最好取为偶数。

4 其他传动机构的抗磨损设计

随着我国工业科学技术的发展，机械自动化生产逐渐取代了传统产品加工制造模式，大量先进的数字化设备，得到了推广应用。除了齿轮传动、链传动，机械传动机构抗磨损设计还需注意绳带传动、蜗轮蜗杆传动的抗磨损设计，这两种结构是新型机械设备比较常见的组合形式。

（1）绳带传动。这是一种利用摩擦力的传动方式，由主动轮、从动轮、传输带等三大结构组成。绳带传动具备结构简单、组装便捷、稳定性强等优点，适用于中小型机械传动设备。因长时间处于高速运转工作条件，绳带传动同样面临着磨损问题，尤其是皮带磨损较大。设计改良方案，应结合主动轮、从动轮的运行要求，选择高性能皮带以维持良好的运转状态，两个动轮的间距大小也要严格控制。

（2）蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力，蜗轮与蜗杆在其中间平面内，相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。蜗轮蜗杆采用了旋转式螺旋结构，两个组件配合运行，需要承受的力学荷载更大，蜗轮蜗杆的磨损量更多[4]。为了避免传动磨损问题，蜗轮蜗杆改良设计，要考虑蜗轮杆的长度，保持与蜗轮周长一致，避免尺寸标准不一，造成的过载传输。

5 结束语

总之，源自于各方面的竞争压力，导致机械制造企业的经营面临巨大的挑战，往往约束了企业长期经营目标的实现。针对传统机械结构形式进行优化改造，有助于改善设备生产运行的性能，降低成套设备故障的发生率。抗磨损设计，是机械传动机构的重要改良措施，设计人员必须要参照传动机构的性能特点，加强抗磨损结构的改良处理。

[1]魏永英.机械传动结构磨损现象造成的危害分析[J].机械设计与制造，2010，26（12）：54-56.

[2]冀晓红，郭 红.基于计算机平台机械传动结构三维模型的建立[J].机械研究与应用，2011，19（7）：43-45.

[3]姜晓阳.齿轮传动结构的机械特点及设计要点研究[J].中国重型装备，2011，23（6）：17-18.

[4]何静生.机械传动机构中链传动与绳带传动性能的对比[J].青岛科技大学学报，2011，30（7）：44-45.